Ученые из МФТИ и ИТМО создали гибридный нанокристалл, который можно использовать в качестве излучателя света. Физики добавили на нанопроволоки углеродные наноструктуры, получив усиление люминесценции. Технологию можно использовать для создания элементов интегральных схем, а также источников света, например светодиодов. Работа опубликована в Advanced Optical Materials.
Одна из задач фотоники — раздела физики, в котором изучается взаимодействие света с материей, — создание наноразмерных устройств для оптических интегральных схем. Подобные схемы в перспективе могут заменить классические в компьютерах, где сигнал передается электронами, потому что фотонные элементы быстрее и меньше нагреваются. В лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ создают и исследуют различные наноструктуры, которые можно использовать в фотонных устройствах, в частности, квазиодномерные нитевидные нанокристаллы фосфида галлия. Эти кристаллы похожи на проволоку, провода с диаметром порядка 200 нанометров. В прошлой работе ученые показали, как нанопроволоки выполняют роль волноводов — проводят лазерный свет практически без потерь.
В новом исследовании физики из МФТИ объединились с коллегами из ИТМО, чтобы улучшить свойства нанокристаллов. Повысить мощность оптического сигнала решили с помощью углеродных наноточек, которые синтезируют в ИТМО. Углеродные наноточки — кристаллы размером около 10 нанометров, состоящие только из атомов углерода и имеющие графеноподобную (как слои пчелиных сот) структуру. Эти наноточки отличаются простотой производства (например, достаточно лимонной кислоты) и низкой токсичностью, а по свойствам похожи на квантовые точки, применяемые в современных дисплеях, то есть эффективно излучают видимый свет.
Для улучшения свойств нанопроволок физики из МФТИ осаждали на их поверхность углеродные наноточки, а затем смотрели, насколько усиливается в новой структуре оптическое излучение.
Алексей Большаков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, рассказывает: «Мы интегрировали углеродные точки на поверхность нитевидных нанокристаллов и изучали оптические свойства получаемых структур. Эксперименты показали, что нанокристаллы не теряют своих резонансных свойств. Таким образом, полученные гибридные структуры на основе интеграции нитевидных кристаллов и углеродных точек обладают более высокой интенсивностью люминесценции — более эффективно излучают свет и являются новой перспективной базой для использования в устройствах оптоэлектроники, то есть для достаточно больших устройств».
Сначала ученые получали углеродные наноточки в водном растворе лимонной кислоты. Затем более сложным методом пучковой эпитаксии выращивали нитевидные нанокристаллы. На нанокристаллы нанесли раствор наноточек и провели оптические измерения. Изучали люминесценцию — то, как светятся нанокристаллы после поглощения излучения. Оказалось, что она усиливается на концах нанопроволок.
Изображение групп нитевидных кристаллов сбоку и сверху и их люминесценция для трех образцов. Указанный масштаб — 20 микрометров. Источник: Advanced Optical Materials
Алексей Большаков поясняет: «Мы исследовали отдельно взятые структуры, изучая распределение интенсивности люминесценции вдоль синтезированных одиночных наноструктур, и смогли продемонстрировать, что люминесценция усиливается на кончиках полученных наноструктур. Тем самым мы показали, с одной стороны, резонансный эффект, с другой — возможность направленного вывода полученного излучения вдоль нитевидных нанокристаллов. Дополнительно мы провели численное моделирование».
По сравнению с нанопроволоками без углеродных наноточек, в новых наноструктурах эффективность излучения света усилилась в три раза. Ученые планируют увеличить ее в 10 и более раз, тем самым расширяя применимость нанокристаллов не только как пассивных элементов вроде волноводов, но и в качестве активных излучателей света, например светодиодов.
Алексей Большаков резюмирует: «Мы хотим продемонстрировать, что можно реализовывать на базе такого подхода уже макроразмерные структуры, обладающие люминесценцией и направленным выводом излучения. Нитевидный нанокристалл работает как резонатор, и излучение распространяется преимущественно вдоль его оси. Если у вас есть массив таких структур, вертикально ориентированных, то, возбуждая люминесценцию в них, вы будете видеть сильное излучение, глядя на них в профиль, а под углом — почти ничего видеть не будете. Мы расширяем своей работой технологические подходы для реальной имплементации устройств интегральных фотонных схем, еще ближе подходим к реализации устройств интегральной нанофотоники и, соответственно, вычислений нового поколения на основе оптических сигналов».
